expresi n g nica electivo

EXPRESIN GNICA. La expresin gnica es el proceso mediante el cual la informacin almacenada en el

DNA es usada para dirigir la sntesis de un producto gnico especfico (protenas; RNAr; RNAt).

Este producto gnico es el responsable de llevar a cabo una funcin celular

especfica, la que terminar manifestndose como un rasgo fenotpico adquirido por la clula en la que esta informacin gentica se expresa.

Sin embargo, el momento en que esta informacin gentica es expresada, se

encuentra altamente regulada por diversos factores (entre ellos, estmulos ambientales, la accin reguladora de ciertas hormonas, el grado de condensacin de la cromatina, etc.), lo que permite controlar, en todo momento, la produccin adecuada de protenas, para cuando ellas sean requeridas por el metabolismo celular.

Durante el proceso de diferenciacin celular, la expresin gnica se regula de modo

que ciertos genes se "encienden" y otros se "apagan", permitiendo a las clulas modificar su contenido proteico y, por lo tanto, su propio fenotipo, que es el requisito necesario para transformar un tipo celular en otro diferente, lo que da origen a las distintos tipos celulares que constituyen a un individuo.

Las mutaciones pueden alterar la informacin almacenada en los genes, originando a partir de un gen inicial, distintas versiones del mismo (llamadas genes alelos). Estos genes alelos son los responsables de las variaciones fenotpicas (diversidad biolgica) que manifiestan las poblaciones de seres vivos, sobre las que acta el proceso de seleccin natural durante la evolucin de los seres vivos. LOS EXPERIMENTOS QUE DEMOSTRARON QUE EL DNA ES EL MATERIAL GENTICO

A comienzos del siglo XX se haba demostrado que los genes se localizaban en los cromosomas. Dada la composicin nucleoprotena de estas estructuras, los cidos nucleicos y las protenas eran las sustancias candidatas a constituir los genes. Las protenas son molculas complejas y su actividad biolgica ya estaba probada por aquellos aos, los cidos nucleicos por el contrario, se consideraban molculas simples y no se conceba que pudieran almacenar tal cantidad de informacin.

El concepto de gen fue introducido en 1860 por Mendel (factor mendeliano) y recin alrededor de 1920 se realizaron los primeros experimentos que revelaron al DNA como material gentico.

En 1928, F. Griffith observ que la bacteria Streptococcus pneumoniae, productora de la neumona humana, se presentaba en dos variantes o cepas distintas. Una de ellas era virulenta (provocaba la enfermedad) y formaba colonias con aspecto liso; la que se denomin cepa S. La otra variante de neumococo, que no presentaba cpsula, no produca la enfermedad y formaba colonias rugosas, y se la denomin cepa R

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En la dcada de los cuarenta, O. T. Avery, C. MacLeod y M. McCarty obtuvieron los distintos tipos de molculas de las bacterias S muertas y observaron si transformaban a los neumococos tipo R. Comprobaron virulencia con el mismo procedimiento utilizado por Griffith, pero en vez de inocular bacterias R + S muertas, inocularon distintas muestras de cepas R con diferentes sustancias aisladas de las S. Ni los polisacridos de las cubiertas de las S ni otras molculas lograron la transformacin. El principio transformante result ser el DNA. Los genes de la cepa S que contenan la informacin necesaria para producir la cpsula se haban introducido en las bacterias R.


Pese a que esta prueba demostraba que el DNA era el principio transformante (genes), la comunidad cientfica se resisti a aceptar la importancia gentica del DNA.

En 1952, A. D. Hershey y M. Chase demostraron que el DNA del fago T2, un virus que

parasita bacterias, era la molcula que se introduca en la clula bacteriana para la reproduccin viral. No obstante, continuaba resultando necesario demostrar cmo un compuesto tan simple poda almacenar y transmitir tanta informacin.

La respuesta la proporcion el progresivo conocimiento de su estructura. Desde que, en 1953, J.Watson y F. Crick mostraron su modelo de estructura de doble hlice, que explicaba cmo se poda almacenar y transmitir la informacin gentica, nadie dud de la funcin y la importancia del DNA.

El DNA es la macromolcula portadora de los genes: el DNA es el asiento molecular

de la informacin gentica.

RELACIN ENTRE GEN Y PROTENA Los genes contienen la informacin para la produccin regulada de enzimas y protenas estructurales y de esta manera controlan las reacciones bioqumicas y la forma de los organismos.

El material gentico se manifiesta dando forma y funcin a las protenas, y debe replicarse con la suficiente fidelidad como para asegurar la continuidad de las especies, pero al mismo tiempo permitir algunos cambios (variaciones) que sirven de sustrato para la evolucin.


RELACIN ENTRE GENOTIPO Y FENOTIPO

Primero se definirn ambos trminos.

Genotipo: corresponde a la constitucin gentica de una sola clula o de un organismo con referencia a una sola caracterstica o a un conjunto de caractersticas; la suma total de todos los genes de un individuo.

Fenotipo: corresponde a las caractersticas observables de un organismo que resulta de las interacciones entre el genotipo y el ambiente.

La relacin de genotipo y fenotipo en sus distintos niveles se presenta en la siguiente

secuencia de conceptos:

El fenotipo de un organismo depende del fenotipo de sus partes, que a su vez est determinado por el fenotipo de sus clulas componentes.

El fenotipo de una clula est determinado por su qumica interna, que es controlada por las enzimas que catalizan sus reacciones metablicas.

La funcin de una enzima depende de su estructura tridimensional especfica, adems depende de su secuencia lineal especfica de aminocidos.

Las enzimas y las protenas estructurales, presentes en una clula, estn determinadas por el genotipo de la clula.

Los genes especifican la secuencia lineal de aminocidos en las protenas y por lo tanto los genes determinan el fenotipo.

El fenotipo est determinado por el genotipo ms la accin ambiental. FLUJO DE LA INFORMACIN GENTICA F. Crick enunci lo que l llam el dogma central, segn el cual la informacin fluye del DNA a las protenas en una nica direccin.

As, el genotipo determina el fenotipo, dictando la composicin de las protenas. F. Crick fue criticado por utilizar el trmino dogma ya que un dogma es algo que no se pone en duda. El cientfico reconoci ms tarde que debi llamarlo hiptesis central. Una gran diversidad de experimentos han demostrado que el dogma se cumple, salvo en unas pocas excepciones. La principal excepcin corresponde a la trascripcin inversa, en la cual la informacin codificada por ciertos virus que contienen RNA se transcribe al DNA por la accin de la enzima transcriptasa inversa. Por ello el dogma o hiptesis central hoy se presenta as.


TRANSCRIPCIN O SNTESIS DEL RNA La transcripcin consiste en la sntesis de una molcula de RNA a partir de una de las cadenas del DNA; esta cadena se denomina complementaria, molde o templado; la otra hebra del DNA se denomina no complementaria.

Representacin del proceso de transcripcin. Observe que la direccin de la trascripcin siempre es de 5 a 3, es decir, la elongacin o crecimiento de la molcula de RNA es siempre por el extremo 3

Es importante destacar que los RNA que se sintetizan a partir de un fragmento de hebra molde o templada de DNA puede terminar como: RNA mensajero, RNA de transferencia y/o RNA ribosomal; estos dos ltimos no llevan informacin gentica para la sntesis de una protena, pero son imprescindibles en el proceso

Cuestiones bsicas sobre la sntesis de RNA:

Todos los RNAs se sintetizan por medio de reacciones catalizadas por RNA polimerasas, gracias a la informacin contenida en el DNA que sirve de patrn o molde. La direccin de la transcripcin siempre va en el sentido 5 a 3.

La sntesis se produce por complementariedad de bases. La cadena de RNA que se forma es complementaria a un fragmento de una de las cadenas de DNA. En la cadena de RNA no aparecer la base timina que ser sustituida por uracilo.

Existen notables diferencias en la transcripcin de clulas procariontes y eucariontes.


Etapas de la transcripcin: Se estudi inicialmente en Escherichia coli y el proceso consta de cuatro fases:

A) Iniciacin o ensamblaje de molculas. B) Elongacin o crecimiento de la molcula de RNA. C) Terminacin o conclusin de la cadena de RNA. D) Maduracin o transformacin del RNA transcrito.

A) Iniciacin

La RNA polimerasa se une fuertemente cuando entra en contacto con una secuencia especfica de DNA, llamada promotor. En el promotor se encuentran dos cortas secuencias situadas entre -35 y -10 nucletidos del inicio (0) de la transcripcin. La misin de las secuencias promotoras es indicar dnde se inicia la transcripcin, en cul de las dos hebras del DNA y en qu lugar

B) Elongacin.

Despus de unirse al promotor, la RNA polimerasa abre una regin localizada de la doble hlice, de forma que expone los nucletidos de ambas cadenas de una pequea zona del DNA. Una de las dos cadenas expuestas del DNA acta como patrn para el apareamiento de las bases complementarias y se inicia la formacin de una cadena de RNA. De esta forma, la cadena de RNA va creciendo nucletido a nucletido en direccin 5 a 3. El proceso de elongacin de la cadena contina hasta que la enzima encuentra una segunda secuencia especial del DNA, la seal de terminacin.


Durante la elongacin de la cadena de RNA, la polimerizacin alcanza una velocidad de 30 nucletidos por segundo a 37 C. Por consiguiente, una cadena de RNA de 5.000 nucletidos tarda unos tres minutos en sintetizarse.

C) Terminacin

Existen diversas seales de terminacin en el DNA molde que son secuencias que desencadenan la separacin de la enzima RNA polimerasa de la cadena molde y del RNA transcrito.

D) Maduracin

En procariontes el RNA mensajero, antes de terminar el proceso de transcripcin empieza a ser traducido, por lo tanto no necesita de maduracin, habitualmente son policistrnicos. Los RNA ribosomal y de transferencia se forman a partir de transcritos primarios. La maduracin consiste en modificaciones tales como rupturas de la cadena y aadidos de nucletidos (-CCA) en el extremo terminal 3. En eucariontes cada gen eucariota se transcribe separadamente (monocistrnico), con un control transcripcional independiente para cada uno. Los distintos RNA transcritos en los eucariontes presentan una serie de especializaciones no encontradas en procariontes. De gran importancia es el hecho que los genes eucariontes poseen en su estructura exones e intrones, situacin no observada en procariontes

El nmero de intrones vara para cada gen, sin embargo, su nmero aumenta a medida que el organismo es ms complejo y de reciente evolucin. Se ha propuesto que los intrones promueven la recombinacin gentica (va crossing-over), y por lo tanto aumentan la velocidad de evolucin (de cambio). Procesamiento diferencial del RNA mensajero. Algunos pre mRNA (RNA heteronuclear) pueden ser procesados en ms de una forma. En algunos casos se utiliza el mismo gen para producir una protena en un tejido y otra distinta en otro tejido. Esto es posible porque algunos genes producen molculas de pre-mRNA que tienen mltiples patrones de empalme. Se ha observado que estos pre-mRNA presentan un segmento que puede ser Intrn o Exn. Este procesamiento diferencial del RNA nuclear permite, a las clulas de cada tejido, producir su propia versin de mRNA correspondiente al gen especfico.


Procesamiento diferencial del RNA mensajero

CDIGO GENTICO

El cdigo gentico es el diccionario usado para lograr la traduccin de la informacin gentica, escrita en lenguaje nucleotdico de cuatro bases nitrogenadas, a un idioma aminoacdico escrito con un abecedario de veinte letras. Los veinte aminocidos que encontramos formando parte de las protenas de un ser vivo, estn representados en el cdigo gentico de la agrupacin de tres bases nucleotdicas (triplete o codn) de las cuatro existentes. Este cdigo fue descifrado por Marshall, Nirenberg, Heinrich Matthaei, Robert Holley y Har Gobind Khorana, 10 aos despus que James D. Watson y Francis Crick desentraaran el misterio de la estructura del DNA.


Cada triplete constituye un codn; existen en total 64 codones; 61 de ellos codifican aminocidos y 3 son codones de trmino para el cese de la traduccin. Tal cantidad deriva de una relacin matemtica simple: los cuatro nucletidos (A, U, C y G) se combinan de a tres, por lo que pueden generarse 64 (43) combinaciones; en cambio la relacin de 41 o 42

nucletidos, no permitir generar una cantidad adecuada de combinaciones para codificar los 20 aminocidos.

El cdigo gentico es universal, redundante y no traslapado


TRADUCCIN O SNTESIS DE LAS CADENAS POLIPEPTDICAS

La sntesis de las cadenas polipeptdicas es la segunda etapa observada en el dogma central, y es el proceso por el cual la informacin lineal, escrita con cuatro letras (A, U, G, C), se traduce en informacin tridimensional, escrita con 20 letras (20 aminocidos). Si bien esta etapa es, en sus fundamentos, similar entre procariontes (bacterias) y eucariontes, existen diferencias que sern mencionadas a medida que se avance en el desarrollo del tema. mRNA, el transportador de la informacin. El mRNA es la molcula responsable de transportar la informacin lineal, que debe traducirse a informacin tridimensional (protenas). En bacterias, el mRNA es traducido, sin mayor modificacin, an cuando su sntesis no haya concluido. Por esto, se puede decir que en bacterias la transcripcin y traduccin son eventos paralelos, que ocurren en un mismo compartimiento (en el citoplasma celular). En el caso de los eucariontes, los eventos de transcripcin y traduccin se hallan separados, espacial y temporalmente. Los mRNA se sintetizan fundamentalmente en el ncleo de la clula eucarionte y se combinan con diversas protenas, formando complejos ribonucleoproteicos heterogneos nucleares o hnRNP. Ribosoma, la fbrica de protenas. Microscpicamente, la estructura sub-celular relacionada con la sntesis proteica es un corpsculo denominado ribosoma. Esta estructura est formada por una sub-unidad menor y una mayor.

La sub-unidad menor presenta el sitio de reconocimiento y unin al mRNA y la sub-unidad mayor posee la enzima que efecta la unin peptdica y los sitios para los tRNA, denominados: sitio P (por peptidil), sitio A (por aminoacil) y sitio E (por exit, salida).


tRNA, el vehculo de los aminocidos. Los tRNA son las molculas adaptadoras que permiten traducir el cdigo de nucletidos a aminocidos para la sntesis de protenas. Reconocen tripletes de nucletidos (codones) por un extremo de su molcula (anticodn) y en el otro extremo (3) llevan un determinado aminocido, que la maquinaria traduccional (el ribosoma) se encarga de unir covalentemente con otros aminocidos, siguiendo en este caso el molde de tripletes que trae el mRNA.

Aminoacil-tRNA sintetasa, una enzima clave. El aminocido se une a su correspondiente tRNA por la accin de una enzima llamada aminoacil-tRNA sintetasa. Cada aminocido se activa por su aminoacil-tRNA sintetasa correspondiente. Hay 20 enzimas distintas para cada aminocido

Algunos investigadores se refieren a esta reaccin como la carga del tRNA. La energa usada en la carga del aminocido a su correspondiente tRNA, queda depositada en la unin qumica entre el aminocido y el tRNA. Esta energa ser utilizada posteriormente por la actividad de la peptidil transferasa presente en la subunidad mayor del ribosoma para la formacin del enlace peptdico.


Etapas de la sntesis de cadenas polipeptdicas.

En trminos generales, se puede afirmar que la traduccin es similar en procariontes y eucariontes, salvo algunas particularidades que los diferencian. En las secciones siguientes se concentrar la explicacin en la maquinaria traductora de la bacteria Escherichia coli. En dichas secciones, se mencionarn las diferencias con el sistema eucarionte.

A) Iniciacin. Es la unin de la subunidad menor a la regin del mRNA que contiene el codn de inicio AUG. Posteriormente se une el tRNA iniciador cargado con el residuo N-formilmetionina. Por este motivo, el primer aminocido incorporado durante la sntesis de muchas protenas bacterianas es una metionina modificada, la N-formilmetionina. El inicio es algo diferente en los eucariontes, donde el mRNA es reconocido por la subunidad menor slo cuando sta ha unido previamente la molcula de tRNA iniciador cargado con el residuo aminoacdico metionil, y algunos factores de iniciacin eucariticos

Formacin del complejo de iniciacin

B) Elongacin. El proceso de elongacin de la cadena polipeptdica sobre un ribosoma se puede considerar como un ciclo de tres etapas:

1. El tRNA cargado que se introduce en el sitio A, vaco, quedar cerca de la N-fornilmetionil-tfMetRNA, que est localizada en el sitio P.

2. Formacin del primer enlace peptdico cuando la N-formilmetionina del tRNA

iniciador se une al residuo aminoacdico unido al segundo tRNA ubicado en el sitio A. El ribosoma se desplaza tres nucletidos en direccin del extremo 3 del mRNA, quedando libre un nuevo sitio A.

3. Los procesos citados se repiten de forma sucesiva codn tras codn. Se calcula que

se agregan a la cadena, en promedio, cinco aminocidos por segundo, detenindose la incorporacin cuando al sitio A llega a alguno de los codones de trmino.


Elongacin de la cadena polipeptdica.

C) Terminacin.

En esta etapa, el sitio A del ribosoma es abordado por alguno de los codones de trmino y ocupado por un factor de terminacin, RF en las bacterias y eRF (eucaryotic releasing factor) en eucariontes. La cadena polipeptdica terminada se libera del ltimo tRNA. Se disocian las sub-unidades ribosomales y el mRNA, quedando disponibles la subunidades ribosomales para ser utilizados en una nueva sntesis

MUTACIONES GNICAS O PUNTUALES

Las mutaciones en los organismos unicelulares se transmiten necesariamente a la descendencia. En los organismos pluricelulares slo se transmite a la descendencia una mutacin si esta ocurre en las clulas germinales, es decir, aquellas que darn lugar a gametos.

En las mutaciones gnicas se afecta la secuencia de pares de bases de un gen, estas mutaciones pueden ser consecuencia de: sustituciones, adiciones o deleciones. Sustituciones: se cambia una base por otra, segn sea el problema causado, se clasifican como: neutras, con sentido errneo y sin sentido

Neutras: al cambiar la base, cambia el triplete pero codifica el mismo aminocido Con sentido errneo: al cambiar una base cambia el triplete y este codifica otro

aminocido. Sin sentido: aparece un triplete de trmino que pone fin a la sntesis de la protena

por adelantado.


Delecin y Adicin de bases: En estos tipos de mutaciones puntuales se corre el marco de lectura de los tripletes del ARNm, y aparecen protenas muy distintas. En la delecin se pierde un par de bases del DNA indicndose en el esquema con una flecha la perdida correspondiente a la base de la hebra molde y en la adicin se incorpora un par de bases en el ADN, tambin indicndose en el esquema con una flecha la base que se adicion en la hebra molde.


expresi n g nica electivo

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